計算機流體力學的數值求解方法求解防爆電機屬于探索性研究,目前在國內外應用該方法研究電機內部復雜的散熱資料都比較少。該方法還不成熟,目前存在許多難點。由于問題本身的復雜性,用Fluent的求解方法作為一種嘗試,在方桉得不到理想的結果或不可行時,由于本科論文時間的和精力的局限性,所以改用另一種較成熟和廣泛使用的方法來求解防爆電機內部的熱流問題。以下為用溫度場法求解的基本思路和方法。
一、電動機熱計算的基本想法
為了更好的對電機溫度進行計算,這里以上述溫度場方法為基礎,整理出一種結合流路、熱路概念,主要使用常微分方程和拉普拉斯方程(采用邊界元方法求解)數值解法的電動機熱場校核計算方法。其主要計算步驟為:
⑴利用流路法,初步確定冷卻介質在電機內部的流動狀態。冷卻介質的溫度分布可按經驗或計算結果假定,從而可以確定各相關物理參數;新電機內部空間空氣的流動分成軸向分量和周向分量:周向分量按庫氏流動或經驗公式考慮,而軸向流動由流路法或二維軸對稱流場確定,此時新的軸流風扇可看成一個理想的軸向動量加載器。
⑵分別取各有效部件為研究對象(目前初步確定6個研究對象:定子繞組,定子鐵心、轉子繞組、轉子鐵心、電機內循環冷卻空氣、機殼),利用熱路的概念,假定每個研究對象都是均質等溫體,根據能量(熱量)守恒定律,建立常微分方程,給出初始條件;這里的常微分方程總是可數值求解的。
⑶取前述各有效部件為研究對象(不再為等溫體),以傅立葉導熱方程(一維:定子繞組、轉子導條及端環;二維(軸對稱):機殼;三維(可僅計算一個角形區域):定子鐵心、轉子鐵心和電機內空氣)為基礎,建立偏微分方程;按實際熱源分別施加熱源,按前述兩步的計算結果、實際結構和部分試驗結果確定傳熱方式、熱流方向和熱量大小,進而確定相應的邊界條件,這也是可數值求解的。
⑷將此結果與最初假定的溫度分布相比較,若在工程許可范圍內,則結束計算;若溫度分布相差較大,則根據全部計算結果重新假定溫度分布和相應的物性參數,返回⑴重新進行計算。
二、電動機熱計算中所使用的計算簡圖和基本符號
對于封閉式電機,計算電動機的溫升,顯然最需要計算的是轉子的溫升。對于起動性能計算,由于起動時間較短,定子鐵心起動過程中的溫升比繞組的慢得多,因而可以不考慮鐵心的溫升對繞組的溫升的影響。這樣,就可以把繞組當作一個等溫發熱體來進行計算;但是,當對電機的起動進行溫升校核時,就必須考慮轉子導條的溫升。作為一種嘗試,這里將考慮4個熱源(轉子導條、轉子鐵心、定子繞組和定子鐵心)和兩個中介媒質(電機內的循環空氣、機殼),并假定電機冷卻水的溫度分布從而可確定冷卻水的平均溫度(如40℃)。
對于一個等溫發熱體,根據熱量(能量)守恒定律,發熱體的總發熱量等于傳出(傳入)的熱量加上發熱體本身溫度升高所需要的熱量。
三、防爆電機內部流路計算
風扇壓頭關系確定:實際壓力元件是風扇,它不是恒壓源。常用壓力——流量關系曲線表示它的工作特性;軸流風扇的空氣動力效率比離心式高,所以大型電機一般總是優先采用這種風扇。
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